中國科大開發(fā)出媲美人腦能效的類腦突觸原型器件，可用于構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類腦計(jì)算系統(tǒng)

　　2 月 9 日消息，據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李曉光教授團(tuán)隊(duì)在高性能類腦突觸原型器件方面取得了重要進(jìn)展。在前期研究基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)基于對鐵電疇形態(tài)和翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)，在鐵電量子隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)了亞納秒電脈沖下電導(dǎo)態(tài)可非易失連續(xù)調(diào)控的類腦突觸器件，可用于構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類腦計(jì)算系統(tǒng)，該成果日前發(fā)表于《自然通訊》雜志上(Nat. Commun.)。

　　以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的類腦人工智能技術(shù)正深刻影響人類社會(huì)。但目前運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的硬件系統(tǒng)依然基于傳統(tǒng)硅基運(yùn)算器與存儲(chǔ)器，能效遠(yuǎn)低于人腦。研發(fā)具有神經(jīng)形態(tài)模擬功能的類腦器件，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)的核心器件 —— 電子突觸，是進(jìn)一步推進(jìn)人工智能發(fā)展的重要途徑之一。為執(zhí)行復(fù)雜的人工智能任務(wù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)對電子突觸器件提出了諸多苛刻要求，如：非易失電導(dǎo)態(tài)數(shù)目(用于模擬腦突觸的連續(xù)可調(diào)性)大于 100，非線性度小于 1(好的線性度有助于精準(zhǔn)調(diào)控電導(dǎo))，開關(guān)比大于 100，翻轉(zhuǎn)耐久大于 109 次，周期隨機(jī)性小于 3%。然而，已報(bào)道的類腦突觸器件無法全面滿足上述指標(biāo)要求。

　　李曉光教授團(tuán)隊(duì)制備了高質(zhì)量的鐵電隧道結(jié)，通過 PZT(壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器)超薄厚度和取向的設(shè)計(jì)，獲得了更小的鐵電疇和更連續(xù)的翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)行為，更豐富的鐵電多疇亞穩(wěn)態(tài)利于類腦突觸器件中多態(tài)的可控調(diào)節(jié)。該器件表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能：其 8 比特線性電導(dǎo)調(diào)控和高耐久性，滿足類腦突觸器件的核心性能指標(biāo)要求。基于該器件性能仿真構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高圖像識(shí)別率，即使在圖片中引入椒鹽噪聲或高斯噪聲，其識(shí)別圖片的準(zhǔn)確率仍然大于 85%。此外，該器件具有亞納秒超快操作速度，而且其能耗低至飛焦級。研究人員經(jīng)過推算表明，該鐵電隧道結(jié)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)，有可能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于人腦的優(yōu)秀能效，而人腦神經(jīng)元突觸單次脈沖能耗約 10 飛焦。人腦突觸響應(yīng)速度約亞毫秒，其響應(yīng)速度也比人腦突觸快 6 個(gè)量級，堪稱媲美人腦突觸的能效表現(xiàn)。

　　上述結(jié)果展現(xiàn)了鐵電隧道結(jié)在構(gòu)建未來高性能類腦人工智能計(jì)算硬件系統(tǒng)方面的重要潛力。

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